KR102118724B1 - 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치. - Google Patents

자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치. Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 상기 조성물을 사용하는 인쇄 장치에 관한 것으로서, 상기 조성물은 상기 자기 색 가변 마이크로 캡슐은 전하를 갖는 복수 개의 입자가 분산된 경화성 용매를 포함하는 마이크로 캡슐이며, 상기 경화성 용매는 에너지의 인가에 의해 경화되는 수지를 포함하며, 상기 수지는 중량 평균 분자량이 100 내지 1,000이며, 상기 경화성 용매는 25℃에서 측정한 점도가 5 내지 50cps인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 인쇄 장치는 상기 조성물을 포함하는 카트리지, 상기 카트리지에서 상기 조성물을 토출하기 위한 분사부, 상기 분사부에서 토출되는 조성물에 자기장을 인가하기 위한 자기장 발생부, 상기 분사부에서 토출되는 조성물을 경화시키기 위한 에너지를 발생 및 차단하는 에너지 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치.{INK COMPOSITION COMPRISING MAGNETIC COLOR CHANGEABLE MICROCAPSULE AND PRINTING DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하나의 카트리지로 다양한 색채를 표현할 수 있는 인쇄 장치에 적용하기 위한 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치에 관한 것이다.
일반적으로 인쇄 매체에 색상을 인쇄하고자 할 경우, 특정 색상의 안료를 포함하는 잉크나 토너 등을 적절히 혼합하여 인쇄 매체에 흡착시키는 인쇄 과정을 통해 이를 수행하고 있다. 이러한 인쇄를 통해 다양한 색상을 표현하기 위해서는 기본 색상에 대한 복수의 잉크 또는 토너가 필요하게 되며, 인쇄 장치의 경우 레드, 그린, 블루, 블랙 카트리지를 장착하여 이를 배합함으로써 다양한 색상을 구현하게 된다.
출원인은 이러한 종래의 인쇄방법을 개선하여 하나의 카트리지로 다양한 색상을 인쇄할 수 있도록 대한민국 등록특허공보 10-0953578호 및 10-0988651호를 통해 자기 색 가변 마이크로 캡슐을를 포함하는 잉크를 인쇄 매체 위에 분사하되, 매체에 대해 전기장 또는 자기장을 인가함으로써 색 가변 효과를 일으키는 인쇄 장치를 개시한 바 있다.
이러한 인쇄 장치를 적용함으로써 하나의 카트리지로 색 가변 잉크를 인쇄하되 인쇄 과정에서 색상을 조절함으로써 색상을 구현하는데, 자기 색 가변 마이크로 캡슐을를 구성하는 광결정이 자기장의 세기에 따라 다르게 배열됨으로써 반사광의 파장이 달라지는 원리를 이용한 것으로 일단 광결정이 배열된 후 광결정을 둘러싼 경화성 용매를 경화시키고 이를 통해 배열된 광결정을 고정화함으로써 상기 잉크가 인쇄 매체에 흡착될 때 상기 광결정의 배열에 따른 색상을 구현하게 된다.
이러한 원리를 이용하여 출원인은 다양한 인쇄 장치에 대한 개발을 시도했으나, 나노 입자인 광결정이 분산된 경화성 용매는 광결정의 이동을 저해하여 원하는 형태의 배열을 이루기 어렵고, 경화 후에도 외부 자기장에 의해 광결정의 배열이 흐트러지는 등의 문제가 발생하여 실용화가 곤란한 것으로 나타났다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 하나의 카트리지만으로도 다양한 색상을 구현할 수 있는 인쇄 장치에 적용하기 위한 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 조성물의 경화 과정에서 자기 색 가변 마이크로 캡슐의 색 가변 효과가 뚜렷하며, 인쇄 후에도 인쇄 매체 상에서 안정적으로 색을 유지할 수 있는 조성물 및 이를 이용한 인쇄 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조성물은 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물로서, 상기 자기 색 가변 마이크로 캡슐은 전하를 갖는 복수 개의 입자가 분산된 경화성 용매를 포함하는 마이크로 캡슐이며, 상기 경화성 용매는 상기 경화성 용매는 에너지의 인가에 의해 경화되는 수지를 포함하며, 상기 수지는 중량 평균 분자량이 100 내지 1,000이며, 상기 경화성 용매는 25℃에서 측정한 점도가 5 내지 50cps인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 입자는 자기장의 인가에 따라 상기 입자 사이의 간격이 제어되며, 상기 간격의 변화에 따라 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장이 변하는 것이며, 상기 입자는 그 자체로 전하를 갖거나 또는 상기 입자의 성질이 변화되어 전하를 갖는 것일 수 있다.
또한, 상기 입자는 Fe, Co, Ni 중 어느 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 수지는 광경화성 수지 또는 열경화성 수지 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 에너지는 열 에너지, 광에너지 및 화학적 에너지 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 인쇄 장치는 상기 조성물을 사용하는 것으로서, 상기 조성물을 포함하는 카트리지; 상기 카트리지에서 상기 조성물을 토출하기 위한 분사부, 상기 분사부에서 토출되는 조성물에 자기장을 인가하기 위한 자기장 발생부, 상기 분사부에서 토출되는 조성물을 경화시키기 위한 에너지를 발생 및 차단하는 에너지 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 조절부에서 발생되는 에너지는 열 에너지, 광 에너지 및 화학적 에너지 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 자기장 발생부에서 발생하는 자기장의 세기 또는 방향의 변화에 따라 상기 입자 사이의 간격이 변하는 것을 특징으로 하며, 상기 자기장 발생부는 상기 조성물이 인쇄 매체의 표면에 흡착되기 전에 자기장을 발생하거나 또는 흡착된 후에 자기장을 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 하나의 카트리지만으로도 다양한 색상을 구현할 수 있는 인쇄 장치에 적용할 수 있다.
또한, 조성물의 경화 과정에서 자기 색 가변 마이크로 캡슐의 색 가변 효과가 뚜렷하며, 인쇄 후에도 인쇄 매체 상에서 안정적으로 색을 유지할 수 있어 인쇄 장치에 유효하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 조성물을 적용하는 인쇄 장치의 개념도로서, 프린터의 헤드(a) 및 휴대용 펜(b)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 캡슐이 에너지에 의해 재배열되는 과정을 나타낸 개념도(a) 및 제조된 마이크로 캡슐의 광학 현미경 사진이다.
도 3는 본 발명의 마이크로 캡슐의 색 가변 효과를 평가한 결과로서, 조성물을 녹색으로 가변시켰을 때(a) 및 적색으로 가변시켰을 때(b)의 기본 상태, 자기장 인가 후 및 경화에 의한 색 고정 후의 상태를 나타낸 사진이다.
도 4는 자기장 인가 전의 인쇄 패턴(a), 자기장 인가 후의 인쇄 패턴(b), 자외선 경화 후 자기장을 제거했을 때의 인쇄 패턴(c) 및 하부에 고무 자석을 접근시켜 자기장을 인가했을 때의 인쇄 패턴(d)을 나타낸 사진이다.
도 5는 자외선 경화된 인쇄 패턴의 각 부분에서의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 조성물을 포함하는 카트리지를 장착한 휴대용 펜의 동작 과정(a) 및 상기 휴대용 펜으로 필기 테스트를 했을 때 자기장 인가 전(b), 자기장 인가 후(b) 및 자외선 조사 후(c)의 상태를 나타낸 사진이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 만 한다.
본 발명에 따른 조성물은 특히, 인쇄 장치의 카트리지에 적용하기 적합한 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물이며, 상기 인쇄 장치는 상기 조성물을 포함하되 자기장 및 경화를 위한 에너지를 인가하는 구성이 부가된 것이다.
상기 인쇄 장치는 도 1에서와 같이 노즐을 포함하는 잉크젯 프린터나 3D 프린터를 들 수 있으며, 카트리지가 삽입된 휴대용 펜을 들 수도 있다. 프린터에 적용하는 경우, 도 1(a)에서와 같이 프린터 헤드를 통해 조성물이 카트리지 형태(100)로 구성되는 조성물이 토출될 때 토출부(노즐)(200)의 주위에 자기장 발생부(300)를 설치하고 상기 자기장 발생부(300)를 이동하여 자기장의 세기를 조절함으로써 조성물에 함유되는 입자 사이의 간격이 제어되어 다양한 색상을 구현할 수 있게 된다. 또한, 휴대용 펜에 적용하는 경우, 도 1(b)에서와 같이 조성물을 포함하는 카트리지(100)가 상기 휴대용 펜의 내부에 장착되어 인쇄 매체의 표면에 조성물을 흡착시킬 수 있다. 또한, 상기 조성물이 상기 인쇄 매체의 표면에 흡착된 후 경화될 수 있도록 상기 노즐이나 펜의 첨단부에 에너지 조절부(400)를 구성할 수 있다.
상기 에너지 조절부(400)는 토출되는 조성물에 에너지를 인가하거나 차단함으로써 조성물이 고정적인 상태(예를 들면, 고체 상태, 경화 상태, 반경화 상태 등)로 변화시키고, 이에 따라 조성물 내에 포함된 마이크로 캡슐 내의 전하를 갖는 입자들을 고정시켜 형성된 색상을 고착할 수 있다. 이때, 상기 에너지 조절부에서 발생되는 에너지는 열 에너지, 광 에너지, 또는 화학적 에너지에서 선택할 수 있다. 이러한 에너지의 종류에 맞추어 상기 조성물을 구성하는 경화성 용매의 종류도 선택할 수 있다.
또한, 상기 토출부(200)는 조성물을 인쇄 매체의 표면에 토출하는 기구로서 프린터의 경우 조성물을 방울(droplet) 형태로 토출할 수 있고, 휴대용 펜의 경우 상기 인쇄 매체의 표면과 닿는 심의 첨단을 통하여 인쇄 매체의 표면에 토출되어 흡착되도록 할 수 있다.
이러한 조성물의 토출, 자기장 인가, 에너지 인가 또는 차단의 동작은 제어부(미도시)를 통해 수행될 수 있다. 특히 인가되는 자기장의 세기에 따라 입자의 간격이 변하며 이에 따라 구현되는 색상이 달라지기 때문에 상기 자기장 발생부(300)의 조절을 위한 인쇄매체의 제어부의 역할은 매우 중요하다. 즉, 자기장 발생부(300)는 자기장의 세기 또는 방향을 변화시킬 수 있는데, 이를 위하여 상기 자기장 발생부(300)를 구성하는 자석 등의 거리와 방향을 조절하도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 자기장 발생부(300)는 상기 조성물이 인쇄 매체의 표면에 흡착되기 전에 자기장을 발생시켜 입자의 배열을 확정한 후 이를 인쇄 매체의 표면에 흡착할 수도 있으나, 인쇄 매체의 표면에 일단 상기 조성물을 흡착시킨 후 상기 인쇄 장치에서 자기장을 인가하여 표면에 흡착된 상기 조성물에 포함되는 입자의 배열을 조절할 수도 있다.
이 경우, 상기 에너지 조절부(400)는 상기 조성물을 흡착하기 직전에 입자의 배열을 확정하고 이를 경화시켜 토출할 수도 있으나, 일단 조성물을 인쇄 매체의 표면에 흡착시킨 후 자기장 인가에 의해 입자의 배열을 조절하고 동시에 에너지를 발생시켜 배열된 입자를 고정하는 과정을 통해 인쇄 작업을 수행할 수도 있다.
본 발명에서는 종래기술과는 달리 전하를 갖는 복수 개의 입자가 마이크로 캡슐 내에 분산되어 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 형성하게 된다. 이러한 자기 색 가변 마이크로 캡슐은 도 2(a)에서와 같이 투명성 고분자로 형성된 캡슐(500)의 벽 내부에 전하를 갖는 입자(예를 들어, 자성 나노 입자)(510)가 분산되어 있으며, 상기 입자는 경화성 용매(520)를 분산매로 하여 분산되어 있다. 따라서 상기 마이크로 캡슐(500) 내에 분산된 입자(510)는 유동적인 상태의 경화성 용매(520) 내에 임의적으로 분산되어 있다가 외부 자기장의 인가에 의해 입자(510) 간의 간격이 조절되어 일정한 결정 구조를 형성한다. 여기에 다시 경화를 위한 에너지를 인가하면 상기 경화성 용매(520)가 경화되면서 상기 배열된 입자를 고정적인 상태로 변화시킬 수 있다. 따라서 광 결정 특성을 가지는 입자(510)는 특정 영역에서의 파장을 반사하여 고정색을 구현하게 된다.
또한, 제조된 마이크로 캡슐은 도 2(b)의 광학 현미경 사진에서와 같이 10 내지 100㎛의 다양한 크기의 캡슐을 형성하게 되나, 외부 자기장 인가에 의해 상기 캡슐 내부에 분산된 입자는 캡슐 크기와 상관 없이 동일한 배열을 형성하기 때문에 특정 고정색을 구현할 수 있다.
종래기술에서 광결정을 함유하는 매체를 외부 에너지에 의해 경화시킬 때 특정한 고정색을 구현할 수는 있으나, 이러한 입자의 배열은 가역적이기 때문에 외부 자기장의 인가에 의해 경화 후에도 색상이 변하는 문제점이 있다. 따라서 마이크로 캡슐 형태를 적용하게 되는데, 이 경우 마이크로 캡슐 내에 복수의 입자와 경화성 용매가 함유되기 때문에 경화성 용매의 물성에 따라 마이크로 캡슐의 형성 및 입자의 고정에 대한 결과가 크게 달라지게 된다.
출원인은 다양한 실험을 거친 결과 상기 경화성 용매에 포함된 수지의 중량 평균 분자량이 100 내지 1,000이며, 경화성 용매의 25℃에서 측정한 점도가 5 내지 50cps인 물질을 사용할 때 최적의 효과를 나타내는 것을 확인하였다.
수지의 중량 평균 분자량은 경화성 용매를 구성하는 분자들의 크기와 관련이 있으며, 상기 중량 평균 분자량이 지나치게 크면 마이크로 캡슐을 형성할 정도의 밀도를 얻을 수 없기 때문에 경화 후에 상기 용매를 구성하는 분자의 사이로 입자가 움직이게 되어 고정색을 구현할 수 없게 된다. 또한, 상기 중량 평균 분자량이 지나치게 작으면 일반적인 유기 용매와 동일한 거동을 나타내어 외부 에너지에 의해 경화되는 속도가 현저히 감소하여 인쇄 장치에 적용하기 곤란한 문제가 발생한다. 즉, 인쇄 매체 위에 조성물을 흡착시킨 후 외부 에너지를 장시간 인가해야 경화가 발생하므로 빠른 인쇄가 불가능하게 된다.
또한, 경화성 용매의 점도 역시 중요한 요인이 되는 것으로 나타났는데, 점도가 지나치게 낮으면 입자의 운동성이 너무 커져 경화 후에도 외부 자기장의 인가에 의해 입자의 배열이 흩트려져 고정색을 구현할 수 없게 되는 것으로 나타났다. 또한, 점도가 지나치게 높으면 입자의 운동성이 너무 낮아져 외부 자기장에 의한 입자의 재배열이 원활하지 못하게 되며 색의 선명도가 떨어지는 문제가 발생한다.
상기와 같은 물성을 나타내는 경화성 용매는 수지, 중합개시제, 및 분산제로 이루어질 수 있다.
상기 수지는 광경화성 수지 또는 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 상기 광경화성 수지는 탄소 이중 결합을 포함하는 아크릴계 수지, 메타크릴계 수지, 아크릴계 모노머, 메타크릴계 모노머, 아크릴계 모노머 라디칼, 메카트릴계 모노머 라디칼, 아크릴계 올리고머 및 메타크릴계 올리고머 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 규소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 중합개시제로는 광중합개시제 또는 열중합개시제를 사용할 수 있다. 상기 광중합개시제로는 1-히드록시시클로헥실페닐케톤(1- Hydroxycyclohexylphenylketone), 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)페닐포스핀옥사이드(Bis(2,4,6-Trimethylbenzoyl)-phenylphosphine oxide). 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르폴리노프로판-1-온(2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinopropane-1-one)), 2,4-디에틸티옥산톤(2,4-Diethylthioxanothone) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 열중합개시제로는 2,2'-아조비스(이소부티로니트릴), 1,1'-아조-비스(사이크로헥산카르보니트릴), 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 2,2'-아조비스(메틸부티로니트릴), 디-tert-부틸 페록사이드, 라우로일페록사이드, 벤조일 페록사이드, tert-부틸 페록사이드, 아조-tert-부탄, 아조-비스-이소프로필, 아조-노르말-부탄, 디-tert-부틸 페록사이드, 2,2'-아조비스(N-부틸-2-메틸프로피오나미드), 2,2'-아조비스(N-사이클로헥실-2-메틸프로피오나미드) 중 어느 하나의 아조 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 경화성 용매는 분산제를 함유할 수 있는데, 이를 통해 용매를 구성하는 각 성분의 분산성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 분산제로는 BYK-154, BYK-2095, BYK-9077 등의 습윤 분산제를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경화성 용매는 에티르 결합을 포함하는 에폭시 수지나 우레탄 결합을 포함하는 우레탄 접착제, 우레탄 모노머를 추가적으로 포함함으로써 접착력을 향상시킬 수도 있다.
또한, 상기 경화성 용매는 수지 90 내지 96 중량%, 중합개시제 1 내지 8 중량%, 및 분산제 0.1 내지 5 중량%의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 범위 내에서 각 수지의 분자량에 따른 목적하는 점도의 조절이 용이한 것으로 나타났으며, 상기 경화성 용매의 물성을 충족시킨다면 상기 범위를 벗어나서도 제조될 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물을 구성하는 전하를 갖는 입자는 그 자체로 전하를 갖는 것일 수 있고, 입자의 성질이 변화되면서 전하를 갖는 것일 수도 있다. 이러한 예로는 광 결정 입자를 들 수 있는데, 이러한 광 결정 입자로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등이 대표적이다. 이외에도 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리부덴(Mo), 아연(Zn), 지르코늄(Zr) 등의 원소나 이들을 포함하는 산화물, 질화물 등의 화합물을 적용할 수도 있다. 또한, 스티렌(styrene), 피리딘(pyridine), 피롤(pyrrole), 아닐린(aniline), 피롤리돈(pyrrolidone), 아크릴산(acrylate), 우레탄(urethane), 티오펜(thiophene), 카바졸(carbazole), 플루오렌(fluorene), 비닐알코올(vinylalcohol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 에톡시아크릴레이트(ethoxy acrylate) 중 적어도 하나의 단위체를 포함하는 유기 고분자 또는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 등의 고분자 물질을 들 수도 있다.
상기 광 결정 입자은 전하를 갖지 않는 입자 혹은 클러스터에 전하를 갖는 물질이 코팅된 형태로서 구성될 수도 있다. 예를 들면, 탄화수소기를 갖는 유기화합물에 의하여 표면이 가공(혹은 코팅)된 입자, 카르복실산(carboxylic acid)기, 에스테르(ester)기, 아실(acyl)기를 가지는 유기 화합물에 의하여 표면이 가공(혹은 코팅)된 입자, 할로겐(F, Cl, Br, I 등) 원소를 포함하는 착화합물에 의하여 표면이 가공(코팅)된 입자, 아민(amine), 티올(thiol), 포스핀(phosphine)을 포함하는 배위화합물에 의하여 표면이 가공(코팅)된 입자, 표면에 라디칼을 형성함으로써 전하를 갖는 입자가 이에 해당될 수 있다. 이와 같이 광 결정 입자의 표면을 실리카, 고분자, 고분자 단량체 등의 물질로 코팅함으로써 입자가 용매 내에서 높은 분산성과 안정성을 갖도록 할 수 있다.
한편, 광 결정 입자은 입자 직경이 수 ㎚ 내지 수백 ㎛일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 외부 전기장에 의해 입자들이 일정한 거리로 배열될 때 브래그 법칙(Bragg' Law)에 의해 입자의 굴절률 및 용매의 굴절률과 연계되어 가시광 영역의 광 결정 파장대가 포함될 수 있는 입자의 크기로 설정할 수 있다.
또한, 상기 광 결정 입자가 고유의 색상을 갖도록 구성할 수도 있다. 이를 위하여, 산화수 조절 또는 무기안료, 안료 등의 코팅을 통하여 특정 컬러를 부여할 수 있다. 예를 들면, 광 결정 입자에 코팅되는 무기 안료로는 발색단을 포함하는 Zn, Pb, Ti, Cd, Fe, As, Co, Mg, Al 등이 산화물, 유화물, 유산염의 형태로 사용될 수 있고, 염료로는 형광 염료, 산성 염료, 염기성 염료, 매염 염료, 황화 염료, 배트 염료, 분산 염료, 반응성 염료 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 광 결정 입자가 특정 컬러를 표시할 수 있도록 특정 구조색(structural color)을 갖는 물질일 수도 있다. 예를 들면, 실리콘 산화물(SiOx), 티타늄산화물(TiOx) 등의 입자가 굴절률이 다른 매체에 일정한 간격으로 균일하게 배열된 형태로 구성되어 특정 파장의 광을 반사시키는 물질일 수 있다. 광 결정 구조를 가진 입자는 시야각에 따라 서로 다른 구조색이 발현될 수 있으므로, 자기장을 인가함에 따라 자성입자의 배열에 의해 광 결정 입자가 움직이게 되어 자성의 방향, 세기 등에 따라 서로 다른 구조색을 발현할 수 있다.
또한, 컬러 표시 입자의 분산성 및 안정성을 향상시키기 위하여 실리카, 고분자, 고분자 단량체 등을 입자 표면에 코팅할 수도 있다.
상기 컬러 표시 입자는 입자들이 위치와 배열을 안정적으로 유지할 수 있는 보조수단으로 용매에 분산되는 것이 바람직한데, 상기 용매는 상술한 바와 같이 컬러 표시 입자와 비중의 차이가 있어야 본 발명에서 목적하는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 자성을 가지는 상기 컬러 표시 입자를 적용할 수도 있는데, 이러한 입자는 단일 또는 이종의 금속이 함유된 입자, 산화물 입자일 수 있다.
금속의 경우, 금속 나이트레이트계 화합물, 금속 설페이트계 화합물, 금속 플루오르아세토아세테이트계 화합물, 금속 할라이드계 화합물, 금속 퍼클로로레이트계 화합물, 금속 설파메이트계 화합물, 금속 스티어레이트계 화합물 및 유기 금속 계열 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 자성 선구물질과 알킬트리메틸암모늄할라이드계 양이온 리간드, 알킬산, 트리알킬포스핀, 트리알킬포스핀옥사이드, 알킬아민, 알킬티올 등의 중성 리간드, 소듐알킬설페이트, 소듐알킬카복실레이트, 소듐알킬포스페이트, 소듐아세테이트 등의 음이온 리간드로 이루어진 군에서 선택되는 리간드를 용매에 첨가하여 녹임으로써 비정질 금속 겔을 제조하고, 이를 가열하여 결정성 입자로 상전이시킴으로써 제조할 수 있다.
이때 이종의 선구물질을 함유함으로써 최종적으로 얻어지는 입자의 자기적 특성이 증강되거나, 초상자성, 상자성, 강자성, 반강자성, 페리자성, 반자성 등의 다양한 자성 물질을 얻을 수 있다.
또한, 상기 입자를 내부에 함유하는 마이크로 입자는 에멀전을 형성하여 코어-셀 구조화하는 반응 과정을 통해 제조할 수 있다.
일례를 들면 다음과 같다. 입자를 경화성 용매에 분산시켜 심 물질을 제조한다. 이때, 상기 입자는 상기 경화성 용매에 대하여 0.1 내지 25 중량%의 비율로 분산될 수 있으나, 필요에 따라 더 많은 양을 분산시킬 수도 있다. 상기 심 물질의 분산액은 초음파 분산기 또는 호모게나이저를 이용하여 분산을 수행한다.
다음으로, 마이크로 입자의 벽재를 형성할 고분자를 혼합하여 산도 조절에 의하여 프리폴리머를 제조한다. 이 공정은 컬러 표시 입자의 분산액을 제조하는 공정과 동시에 수행할 수 있다.
상기 벽재를 형성하기 위한 고분자는 탄성이 낮고 단단한 성질을 나타낼 수 있는 고분자 전구체를 사용할 수 있는데, 우레아-포름알데하이드, 멜라민-포름알데하이드, 메틸비닐에테르 코말레산 무수물과 같은 공중합체나 젤라틴, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 셀룰로오스성 유도체, 아카시아, 카라기난, 카르복시메틸렐룰로스, 가수분해된 스티렌 무수물 공중합체, 아가, 알기네이트, 카제인, 알부민, 셀룰로오스 프탈레이트 등의 고분자를 사용할 수 있다. 이러한 고분자의 친수성과 소수성을 조절함으로써 컬러 표시 입자를 둘러싸며 벽재를 형성할 수 있다. 또한, 상기 프리폴리머는 컬러 표시 입자와 마찬가지로 분산매에 분산되어 분산액으로 제조될 수 있다.
다음으로, 상기 컬러 표시 입자의 분산액과 상기 벽재 물질의 프리폴리머 분산액을 혼합하고 교반하여 에멀전을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 이러한 에멀전을 형성하기 위한 조건으로 컬러 표시 입자와 프리폴리머의 비율을 최적화할 필요가 있으며, 두 분산액을 부피 비율로 1:5 내지 1:12이 되도록 혼합할 수 있다. 또한, 분산성 향상을 위하여 안정제를 첨가할 수도 있다. 상기 에멀전 내에서 컬러 나노 복합체는 분산상이 되고 벽재 물질은 연속상이 될 수 있다.
또한, 상기 공정에서 에멀전의 안정성을 높이기 위해 첨가제를 첨가할 수 있다. 이러한 첨가제로는 수상에서 용해 후 점도가 높은 습윤성이 우수한 유기 고분자일 수 있으며, 구체적으로는, 젤라틴, 폴리비닐알코올, 소듐 카르복시메틸 셀룰로오스, 전분, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 알기네이트 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 공정에 의해 형성된 에멀전의 pH와 온도를 조절하여 연속상인 벽재 물질 분산액이 분산상인 자성 변색 잉크 주위에 침착되어 캡슐의 벽이 형성되도록 함으로써 심 물질 분산액을 캡슐화할 수 있다. 즉, 인 시튜 중합방법에 의하여 캡슐화를 수행하는데, 이 경우, 캡슐 벽재를 더 치밀하게 구성하여 탄성을 감소시킴으로써 벽재의 경도를 높이기 위해 첨가제를 첨가하는 과정을 포함할 수 있다.
첨가되는 첨가제의 종류는 수상에서 용해가 잘 되는 이온성 또는 극성 물질일 수 있다. 예를 들어, 경화 촉매제인 염화암모늄, 레조르시놀, 하이드로퀴논, 카테콜 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 마이크로 입자는 상기와 같이 인 시튜 중합법으로 제조할 수 있으나, 코아세르베이션 방법(coacervation approach) 또는 계면 중합법(interfacial polymerization)으로 제조할 수도 있다.
코아세르베이션 방법의 경우, 내부상 및 외부상의 유상/수상 에멀전을 이용하게 된다. 컬러 표시 입자의 콜로이드는 수성 외부상으로부터 밖으로 코아세르베이션(괴상화)되며, 온도, pH, 상대 농도 등을 제어함으로써 내부상의 유상 액적에 벽재를 형성하여 입자화된다. 코아세르베이션의 경우, 벽재 재료로서, 우레아-포름알데하이드, 멜라민-포름알데하이드, 젤라틴, 또는 아라빅 고무 등을 사용할 수 있다.
계면 중합법의 경우, 내부상의 친유성 단량체의 존재에 따라 수성 외부상에 있어서의 에멀전으로 존재하게 된다. 상기 내부상 액정 중의 단량체는 수성 외부상에 도입된 단량체와 반응하고, 내부상의 액적과 주위의 수성 외부상과의 계면에서 중합반응이 일어나며, 상기 액적 주위에서 입자의 벽이 형성된다. 형성된 벽은 비교적 얇고 침투성이 있으나, 다른 제조방법과 달리 가열이 필요하지 않으므로, 다양한 유전성 액체를 적용할 수 있는 장점이 있다.
상기 마이크로 입자는 10 내지 100㎛, 바람직하게는 10 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 40㎛의 균일한 구형으로 이루어지며 D50이 20㎛ 정도인 것을 특징으로 한다. 이러한 캡슐 형태 및 크기의 균일성은 자기장에 의해 재배열되는 컬러 표시 입자의 거시적 균일성을 확보하는 원인이 되며, 이에 따라 색상의 변화 및 구현되는 색상의 선명도가 더욱 향상되게 된다. 마이크로 입자의 형태와 크기의 균일성이 확보되지 못하면, 상기 마이크로 입자 내에 분산된 컬러 표시 입자가 균일하게 재배열된다고 하더라도 거시적으로는 불규칙성이 증가되어 색상의 변화 및 구현이 불충분하게 된다.
또한, 상기 마이크로 입자를 포함하는 조성물은 상기 마이크로 입자 및 이를 분산시키는 용매로 이루어질 수 있는데, 외부 에너지의 인가에 의해 마이크로 입자도 동시에 경화되도록 상기 경화성 용매와 동일한 용매를 사용할 수도 있다.
또한, 마이크로 입자의 유동성은 색 가변에 영향을 미치지 않기 때문에, 우레탄 수지, 수용성 아크릴 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합하여 슬러리화할 수도 있다. 또한, 수용성 고분자, 수분산 고분자, 유용성 고분자, 열경화성 고분자, 열가소성 고분자, UV 경화 고분자, 방사선 경화 고분자 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 조성물은 프린터 또는 산업용 인쇄를 위한 잉크 조성물로 적용될 수 있으며, 색조 화장을 위한 화장료 조성물로도 적용할 수 있다.
화장료 조성물로 적용할 경우, 화장품학 또는 피부과학적으로 허용 가능한 매질 또는 기제를 포함하는 조성물 형태로 하여 카트리지에 충전한 화장품으로 사용할 수 있다. 이러한 조성물은 국소 적용에 적합한 모든 제형으로, 예를 들면, 용액, 겔, 고체, 반죽 무수 생성물, 수상에 유상을 분산시켜 얻은 에멀젼, 유상에 수상을 분산시켜 얻은 에멀젼, 멀티에멀젼, 현탁액, 마이크로 에멀젼, 마이크로캡슐, 미세 과립구, 이온형(리포좀) 및 비이온형의 소낭 분산제, 포말(foam) 또는 압축된 추진제를 함유한 에어로졸 조성물의 형태로 제공될 수 있다. 이들 조성물은 당해 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다.
화장료 조성물은 지방 물질, 유기 용매, 용해제, 농축제, 겔화제, 연화제, 항산화제, 현탁화제, 안정화제, 발포제(foaming agent), 방향제, 계면 활성제, 물, 이온형 또는 비이온형 유화제, 충전제, 금속이온봉쇄제, 킬레이트화제, 보존제, 비타민, 차단제, 습윤화제, 필수 오일, 염료, 안료, 친수성 또는 친유성 활성제, 지질 소낭 또는 화장품학 또는 피부과학 분야에서 통상적으로 사용되는 보조제를 더 포함할 수 있다. 상기 보조제는 화장품학 또는 피부 과학 분야에서 일반적으로 사용되는 양으로 도입된다.
또한, 상기 화장료 조성물은 제형이 특별히 한정되지 않으며, 목적하는 바에 따라 제형을 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 피부에 직접 바를 수 있는 색조 화장품을 파우더, 콘실 스틱, 염모제, 헤어 토닉, 연고, 젤, 크림, 패치 및 분무제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 제형으로 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 조성물의 효과를 검증하기 위하여 전하를 갖는 입자로 Fe3O4를 적용하여 조성물을 제조하였다. 조성물은 표 1과 같은 조성으로 제조되었다. 표 1에서 단위는 중량부이다.
성분 종류 실시예1 실시예2
입자 Fe3O4 10 10
수지 1,6-hexanediol diacrylate 85 85
중합개시제 1-hydroxylcyclohexylphenylketone 4 4
분산제 BYK-9077 0.1 1
표 1에 따라 제조된 2가지 조성물을 유리기판에 흡착시킨 후 자석을 1~3초간 접근시켜 색 가변을 일으키고 곧바로 3W의 LED를 사용하여 자외선을 조사하면 1~5초 내에 경화가 완료되었다. 경화된 조성물의 물성을 평가한 결과 표 2와 같은 결과를 얻었다.
L* 색차 파장(㎚) 반사율(%)
실시예1 35.95 20.86 560 11.60
실시예2 46.66 29.11 580 24.10
결과를 살펴보면, 동일한 조성물에서 분산제의 양을 다소 변화시킴으로써 흡수 파장대가 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 적절한 분산제의 양을 조절함으로써 실시예 1의 경우 색차 및 반사율이 향상되어 색 발현 효과가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 실시예 1에 따른 조성물의 색 고정 정도를 확인하기 위하여 유리기판에 흡착시킨 조성물에 자석의 접근 거리를 변경시켜 색 가변을 일으켰다. 그 결과 도 3에서와 같이 녹색 및 적색으로 색 가변을 일으킨다. 어떠한 색상에 있어서도 일단 자기장의 인가에 의해 색 가변을 일으킨 후 자외선 조사로 경화성 용매를 경화하면 색 고정에 의해 특유한 색이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 조성물의 응용을 고려하여, 도 4에서와 같이 각 단계에서의 색 가변 효과를 시험하였다.
조성물을 투명 필름에 인쇄하였다. 자기장을 인가하기 전에는 도 4(a)와 같이 단일한 색상을 나타내나 자석을 접근시켜 자기장을 인가하면 도 4(b)와 같이 입자의 재배열에 의해 색 가변이 일어난다. 여기에 자외선을 조사하여 경화성 용매를 경화한 후 자석을 제거하면 도 4(c)와 같은 색 고정이 일어나는 것을 알 수 있다. 이후 상기 투명 필름에는 자성 색 가변 잉크로 줄무늬 패턴이 인쇄한 후 하부에 고무 자석을 접근시키면 도 4(d)에서와 같이 색 가변 잉크가 인쇄된 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 경화에 의해 색 고정이 일어난 부분은 색 가변 현상이 더 이상 발생하지 않는다. 이러한 결과는 본 발명의 조성물이 일단 고정색을 획득하면 대단히 안정한 상태로 색상을 유지하는 것을 시사하는 결과이다.
도 4는 자기장 인가 전의 인쇄 패턴(a), 자기장 인가 후의 인쇄 패턴(b), 자외선 경화 후 자기장을 제거했을 때의 인쇄 패턴(c) 및 하부에 고무 자석을 접근시켜 자기장을 인가했을 때의 인쇄 패턴(d)을 나타낸 사진이다.
도 5는 자외선 경화된 인쇄 패턴의 각 부분에서의 광학 현미경 사진이다. 도 5에서 (a) 내지 (c) 부분을 광학 현미경으로 관찰하면 각각 녹색(a), 황녹색(b), 연주황색(c)이 관찰된다.
이러한 본 발명의 조성물을 특성을 활용하면 다양한 인쇄 장치를 구성할 수 있다.
일 실시예로 본 발명의 조성물을 포함하는 카트리지를 장착한 휴대용 펜을 들 수 있다. 이러한 휴대용 펜은 펜의 몸체에 장착된 스위치를 상하로 움직임으로써 자기장 발생부의 거리를 조절할 수 있으며, 이에 따라 조성물의 색상이 변하게 된다(도 6(a)). 따라서 하나의 카트리지를 통해 풀 컬러 구조색을 구현할 수 있게 된다.
또한, 상기 휴대용 펜으로 종이에 필기 테스트를 하면, 자기장 인가 전(b), 자기장 인가 후(b) 및 자외선 조사 후(c)의 색 가변 효과를 확인할 수 있으며, 이를 통해 다양한 색상의 구현이 가능한 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 종래기술에 따른 광 결정성을 이용한 인쇄 방법이나 인쇄 장치의 문제점을 개선함으로써 색 가변, 색 고정 및 고정색의 안정성을 대폭 향상시켜 다양한 인쇄 장치에 적용할 수 있는 조성물 및 인쇄 장치를 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 카트리지 200 : 토출부
300 : 자기장 발생부 400 : 에너지 조절부
500 : 마이크로 캡슐
510 : 입자 520 : 경화성 용매

Claims (10)

  1. 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물로서,
    상기 자기 색 가변 마이크로 캡슐은 전하를 갖는 복수 개의 입자가 분산된 경화성 용매를 포함하는 마이크로 캡슐이며,
    상기 경화성 용매는 에너지의 인가에 의해 경화되는 수지 90 내지 96 중량%, 중합개시제 1 내지 8 중량%, 분산제 0.1 내지 5 중량%로 이루어지며,
    상기 수지는 중량 평균 분자량이 100 내지 1,000이며,
    상기 수지는 탄소 이중 결합을 포함하는 아크릴계 수지, 메타크릴계 수지 중 어느 하나의 광경화성 수지 또는 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 규소 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 중 어느 하나의 열경화성 수지이며,
    상기 경화성 용매는 25℃에서 측정한 점도가 5 내지 50cps인 것을 특징으로 하는 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는 자기장의 인가에 따라 상기 입자 사이의 간격이 제어되며, 상기 간격의 변화에 따라 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장이 변하는 것을 특징으로 하는 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는 그 자체로 전하를 갖거나 또는 상기 입자의 성질이 변화되어 전하를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 입자는 Fe, Co, Ni 중 어느 하나 또는 그 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지는 열 에너지, 광에너지 및 화학적 에너지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기 색 가변 마이크로 캡슐을 포함하는 조성물.
  7. 청구항 1에 따른 조성물을 사용하는 인쇄 장치로서,
    상기 조성물을 포함하는 카트리지;
    상기 카트리지에서 상기 조성물을 토출하기 위한 분사부;
    상기 분사부에서 토출되는 조성물에 자기장을 인가하기 위한 자기장 발생부;
    상기 분사부에서 토출되는 조성물을 경화시키기 위한 에너지를 발생 및 차단하는 에너지 조절부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 에너지 조절부에서 발생되는 에너지는 열 에너지, 광 에너지 및 화학적 에너지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 인쇄 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 자기장 발생부에서 발생하는 자기장의 세기 또는 방향의 변화에 따라 상기 입자 사이의 간격이 변하는 것을 특징으로 하는 인쇄 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 상기 조성물이 인쇄 매체의 표면에 흡착되기 전에 자기장을 발생하거나 또는 흡착된 후에 자기장을 발생하는 것을 특징으로 하는 인쇄 장치.
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